시스템엔지니어링 기반 해양플랜트 Material handling 장비 수량산출 프로세스에 관한 연구

A Study on the Estimation Process of Material handling Equipment for Offshore Plant Using System Engineering Approach

Abstract

This paper is a study on the modeling of the quantity estimation model for offshore plant Material handling equipment in FEED(Front End Engineering Design) verification stage using system engineering approach which is an engineering design methods. The relevant engineering execution procedure is not systemized although the operation method and Material handling equipment selection with weight and space constraints is a key part of the FEED. Using the system engineering process, the stakeholder requirements analysis process, the system requirements analysis, and the final system architecture design were sequentially performed, and the process developed through the functional development diagram and Requirement traceability matrix (RTM) was verified. In addition, based on the established process, we propose a Material handling quantity estimation model and Quantity calculation verification Table that can be applied at the FEED verification stage and we verify the applicability through case studies.

1. 서론

해양플랜트 설계엔지니어는 해양플랜트 부유식 Oil & Gas 설비를 설계함에 있어 해양환경 설계 제약조건을 반드시 고려하여야 한다. 해상 부유식 Oil & Gas 설비는 육상플랜트나 대륙붕을 기반으로 설치되는 고정식 플랫폼보다 가혹한 환경조건에서 운영된다. 해양플랜트의 부력과 연관되어 있는 상부구조물의 전체 허용중량과 선체에 한정되어 있는 제한된 작업공간이 대표적인 제약조건들이다. 염분으로 인한 부식방지설계와 이로 인한 재질선정의 어려움 등과 같은 다수의 제약조건들도 존재하지만 무엇보다 제한된 공간영역과 허용 중량에 대한 제약조건은 모든 시스템의 최적화된 설계를 요구하게 하는 주요 요구사항이다. 이러한 환경적인 제약조건 중 크게 영향을 받는 항목이 대표적 운영 및 유지보수 활동인 M,M,O(Maintenance, Modification and Operation)활동과 직접적인 연관이 있는 Material handling이다. Material이란 해양플랜트를 구성하는 모든 시스템, 서브시스템, 컴포넌트 및 운영에 필요한 물자를 의미한다. Material handling활동이란 해양 플랜트를 운영 및 유지보수하기 위한 모든 시스템, 서브시스템, 컴포넌트들과 운영에 필요한 물자들을 지정된 위치 또는 육상으로 이동시키기 위한 모든 활동이며, 이를 수행하는 기기 및 장치를 Material handling 장비라 통칭한다. 따라서 Material handling 장비 수량산출활동이란 발주처의 요구사항과 부합하게 해양플랜트에 적용되는 장비의 종류 및 수량을 결정짓는 활동을 의미한다.

Material handling과 관련된 엔지니어링 활동은 상세설계단계에서의 최종 3D 레이아웃에 영향을 미치는 핵심엔지니어링 요구사항임에도 불구하고 프로젝트 초기 및 입찰단계에서 고려되지 않는 경우가 대부분이다. 이러한 현상은 해양플랜트를 구성하는 전체금액에서 Material handling 장비가격이 차지하는 비중이 대형 프로세스장비들에 비하여 상대적으로 작으며, 해양플랜트의 특성상 많은 엔지니어링 최종결과물이 계약이후 상세설계단계에서 최종 확정되기 때문에 설계 초기 상태에서의 검토가 어렵다고 인식되고 있기 때문이다. 하지만 상세설계 마지막 단계인 3D Modeling 통합설계단계에서 상세설계를 변경시키는 주요 요인 중 하나가 해양플랜트 M,M,O를 위한 Material handling 요구사항이다. 따라서 본 논문에서는 설계 초기 단계에서부터 상세 설계단계에까지 Material Handling 장비 수량산출을 위하여 관련 산업계 인원들로부터 요구사항을 취합하고, 이들의 요구사항을 기술적인 요구 사항으로 변환하여 이를 올바르게 수행 가능하도록 시스템 엔지니어링 방법론을 활용한 Material Handling 수량산출 수행모델과 수량산출 검증표를 제안하였다.

Fig 1에는 본 연구의 입력과 결과물을 IDEF0 모델로 도시한 결과이다.

Fig. 1 IDEF0 Model regarding Material handling methods

2. 시스템 엔지니어링 적용 수량 예측 수행 모델

시스템엔지니어링(System Engineering)은 2차 세계대전이후 미국의 국방 표준인 Mil-Standard 499B를 기반으로 시작되어 국방, 항공우주 및 철도산업 등의 국가주도의 대형프로젝트 중심으로 연구가 진행되어왔다. 최근에 들어서 적용범위가 점차 민수산업영역까지 확대되어 이제는 플랜트산업분야로까지 그 영역을 확대되고 있는 추세이다. 그 대표적인 사례가 2017년 5월에 새롭게 개정된 미국석유협회규격인 API RP 17A 5th edition표준[1]에 시스템엔지니어링 기법이 채택되어 적용된 사례이다. API RP 17A 표준은 20개의 API개별표준으로 구성된 API 17 Series를 통합하는 표준문서로서 해양플랜트 전체 해저시스템개발에 있어 시스템엔지니어링 기법을 적용하였음을 명시하고 있다. API RP17A 표준에 따르면 복잡한 시스템/프로세스/제품을 개발하는데 있어 다학제간 체계적인 접근방법인 시스템엔지니어링이 매우 효과적인 개발방법론임을 제시하며 민수영역산업에서도 시스템엔지니어링표준인 ISO15288표준[2]과 INCOSE Handbook[3]의 적용을 추천하고 있다. 해양플랜트 산업은 수없이 많은 요구사항들이 다양하게 연결되어 상호작용을 하는 산업으로 그 복잡성이 매우 높다. 따라서 복잡한 문제를 체계적, 종합적으로 접근하는 시스템엔지니어링 접근방법을 적용하여 기존의 FEED 설계 방법론을 보완할 필요가 있다.

국내에서는 대형 육상 플랜트인 환경플랜트[4] 이산화탄소포집플랜트[5] 철강주조플랜트[6] 원자력 발전플랜트[7]를 대상시스템으로 하여 시스템엔지니어링 기법을 적용한 초기 타당성 조사나 개념적인 수준의 기본설계까지 사례연구가 수행되었으며, 해외에서는 북해지역의 해양플랜트 산업에서 노르웨이 및 영국을 중심으로 해저시스템[8] 및 대형 해상풍력단지[9]개발을 위한 개념설계에 시스템 엔지니어링 연구가 수행되었다. 하지만 이러한 연구들은 모두 대형프로젝트를 대상시스템으로 한 개념설계에 대한 연구에 국한되어 있어 구체적인 방법론이나 실질적 활용의 예를 제시하지 못하고 있다.

따라서 본 연구에서는 기존의 연구의 한계를 극복하기 위하여 ISO15288 시스템엔지니어링 표준을 기초로 핵심 프로세스만을 적용한 간략화 한 시스템엔지니어링 접근방법론을 제안하여 특정엔지니어링 영역에 적용하고 해양플랜트 입찰 및 FEED 검증단계에서 적용할 수 있는 Material handling 장비 수량산출수행모델’을 개발하였다

2.1 시스템엔지니어링 적용모델

ISO 15288표준을 기반으로 한 시스템엔지니어링 활동은 크게 3가지의 프로세스 활동이 순차적, 반복적으로 수행된다. 첫 번째로 대상시스템의 전체 수명주기에 관여되어 있는 모든 이해당사자의 요구사항을 정의하는 이해관계자 요구사항정의프로세스를 수행한다. 두 번째로 이해관계자 요구사항정의 프로세스를 통하여 검증된 이해당사자 관점에서의 정성적 품질요구사항을 기술적 사양으로 변환하고 이에 부합하는 최상위 시스템단위의 기능을 정의하는 시스템 요구사항정의프로세스를 수행한다. 마지막으로 정의된 기능을 수행할 물리적 아키텍처로 할당하는 시스템 아키텍처 설계 프로세스를 수행한다.

2.2 개발된 시스템엔지니어링 프로세스

본 절에서는 ISO15288 시스템엔지니어링 표준에 따라 간략화 한 개별 프로세스 활동의 세부 수행결과를 설명한다.

2.2.1 이해당사자 요구사항 정의 프로세스

Material handling 장비 수량산출수행모델에 대한 이해관계자의 요구사항이 적합하게 수집/분석되었으며 요구사항이 누락 또는 불합리한 점이 없는지를 확인하기 위하여 이해관계자 요구사항정의 프로세스를 수행하였다. 최초 요구사항을 수집하기 위한 이해관계자 식별을 실시하였으며, 그 결과 핵심 이해관계자는 발주처, 경영진, 프로젝트관리자, 엔지니어링 관리자 및 각 전문 도메인 영역(프로세스, 기계, 배관, 구조, 안전, 전기, 계장, 선실, 선체 등) 담당자로 식별되었다. 이 중 Material handling 관련하여 해양플랜트 입찰 가장 중요한 역할을 담당하는 이해관계자는 기계 엔지니어로 조사되었다. 이후 식별된 이해관계자로부터 요구사항 추출, 요구사항 검증, 정합성 확인 및 이해 당사자간의 합의활동을 수행하였으며 최종적으로 요구사항 추적성 매트릭스를 통해 원천 요구사항과의 부합성을 확인하였다. 보다 세부적으로는 이해관계자 식별, 시스템 운영개념 확인, 이해관계자 요구사항 추출, INCOSE System Engineering Hand book 3.2.2[3]에 기반으로 이해관계자 요구사항 분석 및 합의, 최적화된 이해관계자 요구사항 도출, 요구사항 추적성 관리확인을 순차적으로 진행하였다. Fig. 2는 최초요구사항과 합의된 요구사항간의 추적성 관리표의 일부를 도시하였다. 본 프로세스를 통하여 최초 수집된 Material Handling 이해관계자 요구사항 중에 서로 상충되거나 불합리한 요구사항들이 정리되고 조정하였다. Fig. 2는 최초요구사항과 이해당사지 요구사항정의프로세스를 통하여 조정된 요구사항 및 두 요구사항간의 상호 연결 관계를 도시하고 있다.

Fig. 2 RTM (Requirement Traceability Matrix) between Original Requirements and Refined Requirement

2.2.2 시스템 요구사항 정의 프로세스

이해관계자 요구사항 정의 프로세스를 통하여 검증된 요구사항은 일반적인 언어로 표현된 최초 이해관계자 관점에서의 비 기술적 요구사항이다. 따라서 시스템 요구사항 정의 프로세스를 통하여 개발자관점에서의 측정 가능한 정량적 최상위 시스템수준의 기술요구사항으로 변환하였다. 이러한 변환은 정량적 분석방법인 QFD 및 Material handling 엔지니어링과 연계된 전문가의 설문조사를 활용하였으며 각 분야 전문가들과 합의하는 과정을 통하여 Material handling 장비 수량산출수행모델에 대한 정량화된 기술 지표인 효과도 척도(MOE)와 성능척도(MOP)를 도출하였다.

세부 활동으로 첫 번째 대상시스템에 영향을 주는 외부시스템을 식별하고 외부와의 상호작용을 확인하여 논리적 아키텍처와 기능적 아키텍처를 정의하였다. 두 번째로 논리적 아키텍처를 각 기능들의 흐름과 각 기능들 간의 입출력사항을 모델링 가능한 기능전개 다이어그램인 EFFBD를 통하여 구축하였다. 마지막으로 정의된 논리적 아키텍처가 이해관계자 요구사항을 모두 반영하였는지 여부를 외부 인터페이스-논리 아키텍처간의 추적성 매트릭스를 통하여 확인하였다. Fig.3은 순차적으로 수행된 시스템요구사항정의 프로세스 세부 활동과 시스템 수준에 서 구축된 EFFBD 기능전개 다이어그램이다. Material handling 장비 수량산출을 위한 기능 전개 다이어그램은 시스템 수준에서 데이터검증프로세스와 수량산출프로세스로 크게 구분되어진다. 데이터검증프로세스는 Material handling장비 수량 산출을 위하여 필요한 엔지니어링 데이터를 각 기능으로부터 검증 및 확인하는 프로세스이며, 수량 산출프로세스는 데이터검증프로세스를 통하여 확인된 엔지니어링 FEED 데이터를 바탕으로 수량산출 검증표를 완성하기 위한 프로세스이다.

Fig. 3 System Level Functional Analysis(EFFBD)

최초 외부시스템을 식별하고, 외부시스템과의 상호작용을 확인하고, 기능분석을 통한 시스템수준의 논리 아키텍처를 기능전개 다이어그램인 EFFBD로 정의하였다. 그 이후 외부 상호작용-논리 아키텍처간의 추적성을 확인하고 시스템 요구 사항 정의와 이해관계자 요구사항 정의 및 논리 아키텍처간의 추적성을 확인하였다.

2.2.3 시스템 아키텍처 설계프로세스

전 항에서 구축된 기능 아키텍처를 기반으로 각각의 기능을 수행할 물리적 아키텍처를 정의하였다. 시스템 아키텍처 설계프로세스를 통하여 정의된 기능을 각각의 수행할 물리적 요소에 할당하고 기능간의 추적성을 매트릭스를 통하여 확인하였다. 본 논문에서 개발하고자 하는 대상시스템은 Material Handling 장비 수량산출 수행모델이며, 이에 따라 대상시스템의 기능을 수행하는 물리적 아키텍처는 각 기능을 수행하는 조직이나 전문 엔지니어가 된다. 즉, 물리적 아키텍처는 Material handling 장비 수량산출 수행을 하는 각 개별 조직 또는 전문 영역의 전문가로 기계기능을 수행하는 물리적 아키텍처는 기계엔지니어며 구조기능을 수행하는 물리적 아키텍처는 구조엔지니어와 같다. 시스템수준에서 분해된 기능 및 물리적 아키텍처에 대한 세부 물리적 아키텍처는 Fig 4와 같다. 구체적으로 수량산출 프로세스 중 F4.4의 Define Layout Area기능을 하위계층프로세스로 분해한 것과 F4.6 Quantify Material Handling Equipment기능을 하위계층프로세스로 분해한 결과를 예시로 도시하고 있다. 본 프로세스 활동을 통하여 Material handling 수량산출수행모델을 최종 구축하였다. 우선 물리적 아키텍처를 정의하고, 시스템 논리요구사항을 분해하고 시스템 논리아키텍처를 분해하였다. 이후 기능간의 추적성 확인을 하였으며 마지막으로 시스템 비기능 요구사항을 분해하고 할당하는 과정을 실시하여 최종산출물인 수량산출 검증표를 개발하고 제안하였다. 이러한 과정을 통하여 Material Handling 장비 수량산출을 위한 Material Handling 수량산출수행 모델과 수량산출 검증표를 제안하고 이를 사례연구를 통하여 검증하였다.

Fig. 4 Sub-System Level Functional Analysis(EFFBD) Logical Solutions

3. 사례연구

본 논문의 사례연구를 통하여 구축한 Material Handling 수량산출수행 모델과 수량산출검증표의 적정성을 검증하였다. 사례연구를 위한 대상은 FLNG 프로젝트의 Air Compressor Package 장비가 위치한 유틸리티 모듈을 대상으로 적용하였다. 적용되는 Material Handling 표준은 네덜란드 오일 메이저사인 S*사의 Material Handling Philosophy로 선정하였다. 개발된 수량산출프로세스에 따라 유틸리티 모듈내의 Material Handling의 수량산출을 수행하였으며, 수량산출 검증표를 완성하였다. 본 장에서는 대표적으로 Material handling 관련 엔지니어링의 핵심기능을 수행하는 기계엔지니어기능을 중심으로 구축된 수량산출 수행과정을 설명한다.

3.1 데이터 검증프로세스

접수된 Topside 모듈에 대한 2D도면 및 3D모델링을 기반으로 기계엔지니어기능(담당자)은 발주처가 제시한 Material handling Philosophy 요구사항에 부합하는 설계결과를 제시하기 위하여 모든 엔지니어링기능(담당자)에게 Material handling 대상 항목 선정을 요청하고 대상항목을 접수하였다. 특히 프로세스엔지니어기능(담당자)로부터는 프로세스 시뮬레이션을 통한 핵심 장비들의 구성 및 배치를 접수하였고 Safety엔지니어기능(담당자)은 관련 위험구역의 정의 및 폭발예방 관련 요구 사항을 확정 받았으며 구조엔지니어기능(담당자)으로부터는 구조물의 허용하중 정보를 제공받았다. 이러한 활동은 모든 전문엔지니어링기능(담당자)인 전장, 계장, 선체, 배관, 선실엔지니어기능에 동일한 프로세스로 진행되었다. 본 과정을 통하여 유틸리티 모듈의 최종 장비 구성, 배치 관련의 핵심 사항들을 확정하고 수량산출프로세스를 진행하기 위한 데이터 검증프로세스를 종료하였다.

3.2 수량산출프로세스

데이터 검증 프로세스를 통하여 확인된 장비 구성, 배치, 크기 및 중량과 같은 엔지니어링 데이터들을 바탕으로 기계엔지니어기능은 수량산출 프로세스 활동을 진행하였다. Fig. 6은 수행된 결과 중 하나의 예시로서 유틸리티 모듈에 설치된 두 대의 Air Compressor Package의 핵심 부품인 Motor, Gear, Air Compressor Core를 Material Handling Philosophy의 handling matrix에 기반으로 하여 명시하는 절차를 기술하였다.

수량산출프로세스활동은 해당 상부구조물 모듈 내 고유 식별번호가 부여된 모든 시스템, 서브시스템 및 장비에 대하여 동일한 프로세스로 반복적으로 수행하였다.

유틸리티 모듈을 구성하고 있는 시스템, 서브시스템 및 구성요소별로 안전가반하중과 교체주기에 따라 Material handling 장비의 선정을 실시하였다. 이를 통하여 개별 시스템, 서브시스템 및 부품별로 상부구조물 유틸리티 모듈 내 수직이동과 수평이동, 상부구조물 모듈과 Laydown 영역사이의 수직이동과 수평이동, Laydown 영역과 Laydown 모듈까지의 이동, Laydown모듈과 외부시스템과의 이동방법을 설계지침에 따라 시나리오별로 정의하였으며 이에 적합한 Material handling 장비형태와 수량을 선정하였다. 또한 선정된 Material handling장비가 공동으로 사용이 되는지, 독립적인 형태로 설치되어야 활용되는지를 결정함으로써 최종 적용되는 수량을 산출하였다. 이러한 활동은 전체 유틸리티를 구성하고 있는 모든 시스템에 대하여 지속 반복적으로 수행하였으며 최종적으로 각 대상 장비별 운영시나리오를 중심으로 한 Material handling 수량의 산출이 가능하였다.

Fig. 5는 해양생산설비인 LNG FPSO의 유틸리티모듈 내에 설치된 Air Compressor Package 2종의 Material Handling 방법을 2D 도면으로 도시하고 있으며 Table 1에는 기능에 대한 실시의 예를 설명하였다.

Table 1. Detail functional procedure

Fig. 5 Detail Procedure correspondent to developed procedures

Fig. 6은 본 연구의 결과물인 수량산출검증표의 일부로서 오일메이저사 및 발주처가 요구하는 Material Handling 설계지침에 부합하고 있다. 또한 전체 유틸리티 모듈을 구성하는 시스템별, 서브시스템 및 부품별 Material Handling 절차 및 적용되는 장비의 수량을 도시하고 있다.

Fig. 6 Quantity Verification Table regarding Material handling Equipment

4. 결론

본 연구에서는 해양플랜트 Oil & Gas산업에 적용되는 Material handling장비의 수량산출수행 모델을 시스템엔지니어링을 이용하여 구축하고 해양플랜트 유틸리티 모듈 내 핵심 유틸리티 장비를 대상으로 적용가능 여부를 검증하였다. 기존까지 시스템엔지니어링은 대형시스템의 개념설계분야에 활용되어왔지만 해양플랜트의 일부 영역에서의 시스템엔지니어링 설계방법론이 적용된 사례는 없었다. 따라서 본 연구를 통하여 해양플랜트의 일부 전문엔지니어링 수행영역에서 간략화 된 시스템엔지니어링의 접근방법이 성공적으로 적용될 수 있음을 검증하였다.

구체적인 활동으로는 시스템엔지니어링 표준인 ISO 15288표준을 기준으로 Material handling 수량산출수행모델을 EFFBD 기능전개 다이어그램을 통하여 구축하였으며 이해관계자 요구사항으로부터 기능요구사항, 물리적 아키텍처의 부합성을 추적성 매트릭스를 통하여 확인하였다. 또한 최종결과물로서 수행모델로부터 산출된 ‘수량산출 검증표’를 제안하고 Air Compressor가 설치된 유틸리티모듈을 대상으로 Material handling 장비 수량을 산출함으로서 적용가능성을 검증하였다.

본 연구를 통하여 시스템엔지니어링을 해양플랜트 기자재 산업에 적용함으로써 시스템엔지니어링이 기존의 구축된 FEED 설계방법론을 보완하는 수준에서 적용 가능함을 검증할 수 있었으며, 향후 입찰프로젝트에서 본 수행모델을 사용한다면 해양플랜트 Material handling의 엔지니어링 및 장비수량 산출을 보다 체계화된 방법으로 수행할 수 있을 것이라 판단된다.

후기

본 논문은 선박해양플랜트연구소의 주요사업인 해양 플랜트 머터리얼 핸들링 핵심기술 및 운영⋅유지 보수 위험도평가/관리 기술 개발(2/3)에 의해 수행 되었습니다(PES3081)